ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在計(jì)算水中結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)性能時(shí),不可避免會(huì)涉及到流體與船體外表面的耦合效應(yīng)。例如:在考慮潛艇在水中的各項(xiàng)性能方面,ABAQUS中的聲固耦合方法絕對(duì)是最方便高效的有限元軟件。下面將以潛艇的基本結(jié)構(gòu)(環(huán)肋圓柱殼)的接觸設(shè)置,向大家介紹ABAQUS中流固耦合向聲固耦合的轉(zhuǎn)換。

用ABAQUS中計(jì)算水下結(jié)構(gòu)時(shí),采用聲固耦合法來實(shí)現(xiàn)流體與固體之間的耦合作用,需要用聲學(xué)介質(zhì)來描述包圍在圓柱殼外部的水域。水域模型由居中的圓柱體和兩端的半球體組成。為了提高計(jì)算效率而不影響計(jì)算精度時(shí),這里選取的水域模型的半徑是圓柱殼半徑的4倍,水域靠近結(jié)構(gòu)表面的單元較密。導(dǎo)入建好的有限元模型之后,如下圖所示。

ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用abaqus有限元資料圖片1

圖1 模型示意圖

模型導(dǎo)入之后需要在ABAQUS/CAE中改變單元類型:結(jié)構(gòu)單元采用三維應(yīng)力單元C3D8R,流體單元采用Acoustic(聲學(xué))單元AC3D8R。

ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用abaqus有限元資料圖片2

圖2 聲學(xué)單元設(shè)定界面

正確模擬流體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用是分析水下問題的關(guān)鍵,ABAQUS基于表面使用“Tie”中的Surfaceto Surface約束,通過線性動(dòng)量守衡將結(jié)構(gòu)的位移場和流體的壓力場耦合起來。在結(jié)構(gòu)和流體的界面處不需要網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng),但為保證耦合精度,通常要求網(wǎng)格大小一致,且需根據(jù)曲面形狀分面進(jìn)行耦合定義。系統(tǒng)通過“Tie”約束自動(dòng)對(duì)耦合進(jìn)行計(jì)算,通常選取圓柱殼結(jié)構(gòu)與水域耦合的濕表面作為耦合面。

在ABAQUS/CAE面板中設(shè)置聲固耦合面的操作如下圖所示:

ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用abaqus有限元仿真圖片3

圖3 聲固耦合設(shè)置界面

另外需要注意的是,水域的外表面需要施加無反射邊界面以模擬無限水域。在ABAQUS/CAE中的接觸里選擇Acoustic impedancy定義Nonreflecting,本例中兩種無反射類型:一種是中間部分圓柱形狀,另一種是兩端球形,兩者均要輸入半徑,分別進(jìn)行選擇賦予。

在ABAQUS/CAE面板中設(shè)置無反射邊界面的操作如下圖所示。

ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用abaqus有限元仿真圖片4

圖4 無反射邊界面的設(shè)置

進(jìn)行以上兩步操作之后就定義了的聲固耦合以及無反射邊界面兩種水下計(jì)算必要的條件,如下圖所示。.

ABAQUS中聲固耦合的應(yīng)用abaqus有限元圖片5

圖5 聲固耦合與無反射邊界示意圖

至于聲固耦合面是否添加正確,聲學(xué)單元與結(jié)構(gòu)單元是否正確連接?

很簡單,我們可以進(jìn)行模態(tài)分析進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)該內(nèi)環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行濕模態(tài)分析(即在進(jìn)行模態(tài)分析過程中考慮附連水質(zhì)量的影響),得到如下圖所示的濕模態(tài)振型圖?？梢钥闯?殼體濕表面與水域耦合良好,即聲固耦合正確施加到模型中。

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